Absorptionswärmepumpen

Solar-Institut Jülich, Sommerschule "Regenerative Energie"
Absorptionswärmepumpen
Prof. Dr.-Ing. Mario Adam
Fachhochschule Düsseldorf, Lehrgebiet Regenerative Energiesysteme
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Einsatzbereiche von Wärmepumpen - Einleitender Überblick
(Absorptions-)Wärmepumpen - Was ist das?
Absorptions-Wärmepumpen - Interessante neue Entwicklungen
Anwendung Wärme/Kältespeicher - Option für die Zukunft
adam
Wärmepumpe für Heizung und Warmwasser
Heizung
Wärmepumpe
Wärmequelle Umgebung
WarmwasserSpeicher
Strom
Erdgas
etc.
adam
•
•
•
•
•
•
Vertikale Erdsonde
Horizontaler Erdkollektor
Außenluft
Grundwasser
Abwärme
Solarenergie
Einsatzbereiche von Wärmepumpen
 Beheizung + Warmes Wasser, z.B. in privaten Haushalten
 Allgemein: Wärme + Kälte, z.B. in Industrie, Handel, Dienstleistung
Endenergieverbrauch in Deutschland
48%
Industrie
Handel
Dienstl.
Private
Haushalte
52%
35%
Auto
8% Strom
Heizung
8%
Quelle: Deutsches Institut für
Wirtschaftsforschung DIWI,
Institut für Energetik, 1995
49%
adam
57%
der privat
verbrauchten
Endenergie
für Heizung +
Warmwasser
Grad der Innovation
Grad der Investition
Heizgerätemarkt in Europa
BrennwertHeizgerät
NiedertemperaturHeizgerät
StandardHeizgerät
Quelle: Vaillant
adam
BrennstoffzellenHeizgerät
Markteintritt 2005
ElektroWärmepumpe
GasWärmepumpe
1999: ca.
20.000 Stück
in CH, A, D
Markteintritt
kleiner Geräte
(2001) 2004
Wärmepumpen zur Raumheizung
Übersicht
Art
Anzahl in BRD
Anmerkungen
Elektro-Wärmepumpe
ca. 50.000 Stück
typisch: Ein-/Zweifamilienhaus, Neubau
Ab/AdsorptionsWärmepumpe
ca. 200 Stück
typisch: mittlere bis große Leistungen
(AWT-Gerät mit 22 und 40 kW)
neue Ansätze bei kleinen Leistungen
Gas/DieselmotorWärmepumpe
typisch: große Leistungen (Thermoinsel
von Thyssen Bauen&Wohnen)
ca. 500 Stück
Fichtel&Sachs-Kleinaggregat nicht als
WP, sondern als BHKW vermarktet
USA, Japan: viele Klima/WP-Geräte
Vuileumier-Wärmepumpe
(Stirling-Prozeß)
abgebrochene Entwicklung der Firmen
Junkers und Viessmann
-
adam
Wärmepumpen - Das Prinzip
"Wärme pumpen"
Wärmereservoir
mit hoher Temperatur T
Beispiele
Energetische Bewertung
Heizungswasser
Duschwasser
Prozesswärme
Energiebilanz
Q = Q0 + W (- “Verluste“)
Arbeitszahl („Wirkungsgrad“)
Q
ß=Q/W
Arbeit
W
Strom
Erdgas
Diesel
Q0
„Wärme“-Reservoir
mit niedriger Temperatur T0
Erdreich
Außenluft
Grundwasser
Abwärme
Sonnenenergie
adam
= (Q0 + W) / W
= 1 + Q0 / W
> 1 (d.h. > 100 %)
umso größer, je kleiner der
Temperaturhub T-T0
Arbeitszahl bei Raumheizung
und Antriebsenergie
• Strom: ca. 4
(. 0,33 = 1,3 Primärenergie)
• Gas: 1,3 bis 1,5
Kreisprozess Elektro-Wärmepumpe
Kreisprozess mit einem Kältemittel
(z.B. HFKW)
Nutzwärme
Kondensator
Drossel
Verdichter
Elektrische
Energie
Verdampfer
– mechanischer Verdichter (z.B.
Kolbenverdichter):
Druck- und damit Temperaturerhöhung
– Kondensator:
Verflüssigung bei hoher Temperatur,
Nutzung der Kondensationswärme
– Drossel:
Entspannen des Kältemittels,
Druck- und Temperaturabsenkung
– Verdampfer:
Verdampfung mit Umweltwärme bei
niedrigem Druck, niedriger Temperatur
Umweltwärme
aus Erdreich, Außenluft,
Grundwasser, Abluft,
Sonnenenergie, etc.
adam
Kreisprozess Absorptions-Wärmepumpe
Antriebswärme
Nutzwärme
Kreisprozess mit Kältemittel +
Absorptionsmittel
(z.B. Ammoniak +Wasser)
Desorber
– Kondensation, Drosselung,
Verdampfung wie Elektro-WP
(hier zirkuliert nur das
Kältemittel)
Kondensator
Lösungspumpe
Drossel
Drossel
Verdampfer
Absorber
Umweltwärme
aus Erdreich, Außenluft,
Grundwasser, Abluft,
Sonnenenergie, etc.
Nutzwärme
adam
– thermischer Verdichter:
Temperatur- und damit Druckerhöhung des Absorptions/Kältemittelgemisches im
Desorber, gleichzeitig
Verdampfung, Austreibung des
Kältemittels
– Absorber:
Absorption des Kältemittels
Adsorptions-Wärmepumpe, periodisch arbeitend
z.B. Wasser
(Kältemittel)
Quelle: LTT RWTH Aachen
adam
z.B. Zeolith
oder Silikagel
(fester Adsorbens)
Sorptionsprozess im Dampfdruckdiagramm
Wasser in Zeolith
Quelle: Roth
adam
Reale Arbeitszahlen von Absorptions-WP
- Ammoniak / Wasser Arbeitszahl
= Wärmeverhältnis
= Nutzen / Aufwand
Nutzen: entnommene Wärme in
Kondensator und Absorber
Aufwand: zugeführte Wärme im
Desorber (Antriebsenergie der
Lösungspumpe vernachlässigbar)
Gratis: zugeführte
Umgebungswärme im Verdampfer
tN: Nutztemperatur
tH: Heiztemperatur
Quelle: Recknagel 97/98
adam
Sorptionsprozesse - Was ist das?
Wirkprinzip
 Wirkprinzip basiert auf Zwei- oder Mehrstoffgemischen, deren Siedepunkte
beträchtlich von der Konzentration abhängen
 Kalter Kältemitteldampf wird im Absorbens unter Wärmeabgabe absorbiert ("gierig
aufgesaugt") → Temperaturhub
 Verdampfungs-, Kondensations- und Antriebstemperatur bestimmen die
Prozesseckpunkte
Besonderheiten gegenüber Elektro-Wärmepumpen
 thermische Verdichtung → Antriebsenergie Wärme
 kontinuierliche oder periodische Prozessführung
 periodischer Prozess: Prozesszustände werden zeitlich nacheinander durch
Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr realisiert; auch Feststoffe als Adsorbens möglich,
z.B. Zeolith oder Silikagel mit Wasser als Kältemittel
 höhere primärenergetische Arbeitszahlen (130 bis 150 % bei Raumheizung)
adam
Sorptions-Wärmepumpen
aktuelle neue Ansätze bei kleinen Leistungen
Hintergrund: negative Entwicklungserfahrungen in den 80er Jahren
Vorteil:
hohe primärenergetische Arbeitszahlen
Stoffsystem
Entwicklungsansätze
Ammoniak/Wasser
• Fa. Creatherm/CH, DAWP, 3.5 kW, ε =1.43 bei 0/35 °C
(Lizenznahme Buderus/Nefit, Markteintritt 2001, gestoppt)
• Fa. Rhenag, Thyssengas, Electrolux/S, Novem/NL
Kühlschrank & Warmwasserspeicher, Prototyp (ISH 97, 99
• DLR Köln, Labormuster, 7-20 kW, β a =1.55 angestrebt
• Fa. Heliotherm/A, 16 kW, ε =1.6 bei 5/35°C
(ISH 97, Patent DLR Köln - inzwischen abgebrochen)
Lithiumbromid/ Methanol
• Fa. Buderus/RWTH Aachen, Labormuster, 5 kW,
β a =1.42 angestrebt (inzwischen abgebrochen)
Zeolith/Wasser
• Fa. Vaillant/RWTH Aachen, 10 kW, β a =1.35 angestrebt
Prototypen, geplanter Markteintritt 2004
adam
Zeolith / Wasser - Ein attraktives neues
Stoffsystem
Zeolith
(Keramik)
•
vergleichbar einer Keramik
•
Granulat, Pulver, Stäbchen, ...
•
Verwendung insbesondere in Waschmitteln
zur Enthärtung des Wassers (→ Adsorption
der Calcium-Ionen)
•
weltweit ca. 2 Mio. Tonnen pro Jahr
Vorteile
•
unproblematisches Stoffsystem: ungiftig,
nicht brennbar, ...
•
einfache Apparate (Zeolith = verfahrenstechnischer Apparat für den Stoffaustausch)
•
Separierung der ansonsten gekoppelten
Wärme-, Strömungs- und Stoffaustauschvorgänge
•
Preis: ca. 5 DM/kg bei Abnahme im
Tonnenbereich
adam
Zeolith-Wärmepumpe von Vaillant
Das Wärmepumpenmodul
Adsorber/Desorber
Verdampfer/Kondensator
Quelle: Vaillant
adam
Zeolith-Wärmepumpe von
Vaillant
Generator/Adsorber mit
Zeolith
Quelle: Vaillant
adam
Zeolith-Wärmepumpe von Vaillant
Periodische Betriebsweise
Desorptions- / Kondensationsphase
Adsorptions- / Verdampfungsphase
Brennerwärme
Adsorptionswärme
WasserdampfMassenstrom
Kondensationswärme
Quelle: Vaillant
Verdampfungswärme
adam
Zeolith-Wärmepumpe von Vaillant
Gesamtdesign
Steuer-/Regelelektronik
Gasbrenner mit
Abgaswärmeaustauscher
Umwälzpumpen
zentrale Umschalteinheit
Schrittmotor
Wärmepumpenmodule
(aktuell: nur noch zwei
Module)
Quelle: Vaillant
adam
Zeolith-Wärmepumpe von Vaillant
Einsparpotential
150
Entwicklungsziel: 140 %
90
80
70
Wirkungsgrad η [%]
135 %
108 %
10
0
60
50
23 %
50
40
30
20
10
0
0
Brennwert- Zeolith-Wasser- CO2-Einsparung
gerät
Heizgerät
im Vgl. zu BW
Quelle: Vaillant
adam
CO2-Einsparung [%]
100
Periodischer Sorptionsprozess Wärme/Kältespeicher
Wärme/Kälte-Verluste = f ( Dichtheit des Ventils )
Kältemittel
Sorbens
Periodischer Prozeß
Kondensation
Austreibung
Verdampfung
Absorption
adam
Wärmespeicherung mittels (Ad-)Sorption
Vorteile von Sorptionsspeichern
•
hohe Energiedichten (siehe rechts)
Speichertyp
Typische Energiedichten
•
nahezu keine Wärmeverluste
(physikalisch/chemische Speicherung
statt thermischer Speicherung)
Wasser
58 kWh/m3 bei ∆ϑ = 50 K
Latent
50 - 120 kWh/m3
hohe Umweltverträglichkeit
Adsorption
150 - 250 kWh/m3
•
Stand der Technik
•
Projekt Fa. UFE Solar, Eberswalde, und Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme,
Freiburg: saisonaler Sorptionsspeicher mit Stoffsystem Silikagel/Wasser zur solaren
Wärmeversorgung eines Niedrigenergiehauses (ca. 90 % solare Deckung = 3600
kWh/a bei 30 m2 Solarkollektor und 6 m3 Speicher)
•
Projekt TU München: Versuchsanlage eines Zeolith/Wasser-Wärmespeichers mit einer
Speicherkapazität von 1400 kWh und einer Zeolithmenge von 7000 kg
adam
Solarer Sorptionsspeicher im Niedrigenergiehaus
UFE Solar / FhG ISE
kWh
90 % solarer Deckungsgrad
mit 30 m2 Solarkollektoren
6 m3 Sorptionsspeicher
Quelle: UFE Solar, FhG ISE
adam
Sorptionstechnik: Viele Vorteile, aber kaum Geräte !
Wieso ?
Allgemein
 hohe Investitionskosten für aufwendige Ammoniak/Wasser-Maschinen, mit negativen
Auswirkungen vor allem im kleinen Leistungsbereich
Wärmepumpen im kleinen Leistungsbereich, Raumheizung
 negative Erfahrungen der Heizgerätehersteller Ende der 70er, Anfang der 80er Jahre
(Ammoniak/Wasser-Maschinen auf Basis der ARKLA-Kältemaschine)
 langwierige Suche nach geeigneten alternativen Stoffsystemen für den Hausheizungsbereich
 langsamer Entwicklungsfortschritt bei alternativen Konzepten (<-- Geld, Technik, ...)
Wärmepumpen im großen Leistungsbereich, Industrie/Gewerbe
 Konkurrenz zu gasmotorisch betriebenen Kompressionswärmepumpen
Wärme-/Kältespeicher
 noch junge Technologieentwicklung von Adsorptionssystemen
adam
Absorptionswärmepumpen
Zusammenfassung
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Technologie
Verwendung zum Heizen unter Nutzung von Umgebungswärme oder gleichzeitig zum
Heizen und Kühlen (wie alle Wärmepumpen)
Antriebsenergie Wärme: Verbrennung, Solarenergie, ...
hohe primärenergetische Wirkungsgrade (130-150% bei Raumheizung, =f(Temperaturhub))
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Stand Heute
Kühlen: Massenprodukt in USA, Japan; sonst Nische v.a. bei großen Leistungen
Heizen: Exot
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Chancen für die Zukunft
Neues Arbeitsstoffsystem Zeolith / Wasser
Neuer Anlauf der Heizgerätehersteller und der Gaswirtschaft
Anwendung als verlustloser Wärme/Kältespeicher z.B. für Solarenergie
adam